螺杆钻具用瓣式万向轴设计校核及疲劳寿命分析

螺杆钻具已广泛应用于油田生产,作为螺杆钻具中传递动力的万向轴容易发生失效,其寿命关系到万向轴总成和螺杆钻具的整体工作寿命。本文设计了5LZ120型螺杆钻具用花瓣式万向轴,并基于Workbench软件对万向轴瓣齿进行了静强度校核以及疲劳寿命计算,给出了完整的设计校核方案。论文提出了万向轴交变应力载荷加载次数的计算方法,文中实例设计寿命为0.65×10~7次;对该型万向轴进行了静强度校核,最大应力小于材料屈服强度;交变载荷的重复加载往往引起万向轴的疲劳失效,对万向轴在相应载荷下进行了疲劳寿命计算,疲劳寿命为10~7次,大于设计寿命,同时损伤值为0.65且小于1,安全系数大于1,说明万向轴在该设计寿命下不会发生疲劳破坏,是安全的。

螺杆钻具瓣齿式万向轴密封结构流固耦合分析

在钻井过程中,螺杆钻具马达转子产生的轴向拉力以及密封套内腔中液压力的综合作用,使得密封套经常发生破损或鼓胀变形,进而导致运动副出现不同程度的磨损,缩短了万向轴的使用寿命。为了探究橡胶密封套出现破损和鼓胀变形的失效机理,在介绍密封瓣齿式万向轴的总体结构和原理的基础上,针对密封结构开展了流固耦合分析,研究了内部流场的流动规律、最大应力和最大位移分布规律,并通过现场试验进行了验证。研究结果表明:在瓣齿高速旋转剪切作用下,密封结构内部流体会产生明显的涡旋流动,流体速度和动压以旋转轴为中心呈对称分布且距离中心距离越大动压和旋转速度越大;瓣齿式万向轴的橡胶密封套主要承受内部流体的动压和轴向拉力作用,随着动压和轴向拉力增大,其最大应力和变形量都逐渐增大,且轴向拉力对变形量的影响大于动压所产生的影响。所得结果可为瓣齿式万向轴的密封结构优化设计提供重要参考。